間隙機(jī)構(gòu)——于學(xué)利-+++

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1、現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)間隙機(jī)構(gòu)姓名：于學(xué)利學(xué)號(hào)：S200901108指導(dǎo)老師：余躍慶課程：機(jī)械動(dòng)力學(xué)北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)摘要文章系統(tǒng)的介紹了現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及主要研究方向并介紹了含間隙機(jī)構(gòu)研究意義、研究現(xiàn)狀。在間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究中，提出三種建立含間隙運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)力學(xué)模型的方法，同時(shí)研究運(yùn)動(dòng)副元素分離的判斷準(zhǔn)則問(wèn)題。文章進(jìn)一步概述含間隙機(jī)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)行為及控制問(wèn)題，最后指出研究中的問(wèn)題并提出進(jìn)一步深入研究的一些注意事項(xiàng)。1．機(jī)械動(dòng)力學(xué)的發(fā)展1.1機(jī)械動(dòng)力學(xué)概述機(jī)械動(dòng)力學(xué)是機(jī)械原理的主要組成部分，它主要研究機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力情況，機(jī)械中各構(gòu)件的質(zhì)量與機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的相

2、互關(guān)系等等，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，除了受到外載荷的作用外，還受到各部件本身所具有的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的慣性作用。這種隨著機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)而周期性變化的強(qiáng)慣性作用是產(chǎn)生機(jī)器振動(dòng)、噪音和疲勞等現(xiàn)象的主要原因，其結(jié)果大大影響了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。機(jī)構(gòu)動(dòng)力平衡就是以減小機(jī)構(gòu)振動(dòng)為目的的機(jī)構(gòu)動(dòng)力綜合。對(duì)于具有作往復(fù)移動(dòng)或平面一般運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的機(jī)械來(lái)說(shuō)，它的平衡問(wèn)題比旋轉(zhuǎn)機(jī)械復(fù)雜的多。其各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于加速度的存在，產(chǎn)生慣性力，這些慣性力最終由基座承受，由于慣性作用而傳給機(jī)座的合力稱為震動(dòng)力，合力矩稱為震動(dòng)力矩。這兩種力直接反應(yīng)慣性在機(jī)架上的作用，是造成振動(dòng)的

3、主要原因。因此，機(jī)構(gòu)動(dòng)力平衡的研究大部分工作都是圍繞著機(jī)構(gòu)震動(dòng)力和震動(dòng)力矩的平衡展開的?，F(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)的主要研究方向在：剛性機(jī)構(gòu)的動(dòng)力平衡、彈性機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析與平衡、含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析與平衡這三個(gè)方面。剛性機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡主要是指將機(jī)構(gòu)的組成桿看作剛體，而不考慮它由于受力而產(chǎn)生的彈性變形以及運(yùn)動(dòng)副的間隙。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的不斷追求，人們不斷設(shè)計(jì)出以高速、輕型以及高精度為主要特征的現(xiàn)代機(jī)器，而此類構(gòu)件本身已經(jīng)明顯具有彈性性能，并同時(shí)要考慮運(yùn)動(dòng)副的間隙。由于彈性變形的產(chǎn)生，機(jī)構(gòu)的慣性力除了由剛體運(yùn)動(dòng)決定外，還將受到彈性運(yùn)動(dòng)的影響而有所改變

4、。研究表明，這種變化對(duì)于高速機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)是很大的。對(duì)于這種機(jī)構(gòu)，如果再按照古典的剛體力學(xué)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，那么將與實(shí)際機(jī)構(gòu)的真實(shí)性能產(chǎn)生較大差距，不能滿足要求。因此，要改善和提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能，考慮彈性的機(jī)構(gòu)動(dòng)力平衡以及含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和平衡，是很有必要且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義的。北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)1.2含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究意義隨著機(jī)械工業(yè)向高速度、高精度、高效率的目標(biāo)邁進(jìn)，對(duì)機(jī)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求也相應(yīng)提高，特別是對(duì)于高速、重載及精密機(jī)械類的要求更是如此，這就增加了對(duì)此類機(jī)構(gòu)研究的必要性。在機(jī)械系統(tǒng)中，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副是連接兩構(gòu)件并保持二者有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的中間環(huán)節(jié)。為了保證

5、兩構(gòu)件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副元件間一般需采用動(dòng)配合，這就存在一定的運(yùn)動(dòng)副間隙。運(yùn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中，必然會(huì)有一定的誤差，這種誤差也是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)副間隙的一個(gè)原因。另外對(duì)于經(jīng)過(guò)一定時(shí)期運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，由于摩擦、磨損現(xiàn)象的存在，也將使運(yùn)動(dòng)副產(chǎn)生間隙。所以，機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副間隙是不可避免的。隨著精密機(jī)械工程和航天工程的發(fā)展，對(duì)精確預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的要求越來(lái)越迫切，間隙的存在破壞了理想機(jī)構(gòu)模型，也使機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和理想運(yùn)動(dòng)之間產(chǎn)生誤差。從動(dòng)力學(xué)角度考慮，運(yùn)動(dòng)副間隙的出現(xiàn)，改變了機(jī)構(gòu)桿件間的受力狀況，從而影響了機(jī)構(gòu)的受力性能，尤其是對(duì)于高速機(jī)構(gòu)的影響更大。由于有機(jī)構(gòu)之間有間隙，運(yùn)動(dòng)副元素之間可能會(huì)發(fā)

6、生猛烈沖擊和碰撞，增加構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力，造成桿件彈性變形增大、磨損加劇，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)、效率降低。由于間隙量很小，對(duì)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)精度一般不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但是高速度是現(xiàn)代機(jī)械的一個(gè)重要標(biāo)志和發(fā)展方向，隨著速度的提高，運(yùn)動(dòng)副之間間隙的影響也愈加明顯。這一切都使得在進(jìn)行高速機(jī)構(gòu)和高速、輕質(zhì)、高精密機(jī)器人的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，不得不對(duì)運(yùn)動(dòng)副間隙加以考慮。基于上述原因，對(duì)于含間隙機(jī)構(gòu)的研究是必要的。尤其是對(duì)于這類機(jī)械建立準(zhǔn)確可靠的動(dòng)力學(xué)模型更是必不可少。到目前為止，含間隙機(jī)構(gòu)的研究已取得了大量成果。在建模方法、數(shù)值求解和元素分離，混沌等方面都取得了一定的成果。近些年來(lái)有許多學(xué)者致力于含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力

7、學(xué)研究，國(guó)外在70,80年代Dubowsky對(duì)此做了較早和較為全面的工作。國(guó)內(nèi)在90年代初期李哲等做了一定的工作。后期也有多個(gè)院校的學(xué)者在間隙機(jī)構(gòu)方面做了很多工作，在文獻(xiàn)[9]中，靳春梅，邱陽(yáng)等對(duì)含間隙彈性機(jī)構(gòu)做了動(dòng)態(tài)特性分析。北京工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科部張淵，邱銀幅，李哲，以及西安交通大學(xué)靳梅等對(duì)含間隙機(jī)構(gòu)沖擊特性方面試驗(yàn)的研究，西北工業(yè)大學(xué)王國(guó)慶，昆明理工大學(xué)朱真兵，張益群，北京工業(yè)大學(xué)張淵，李哲，天津大學(xué)常宗瑜等對(duì)間隙機(jī)構(gòu)混沌方面做了分析和研究。北京工業(yè)大學(xué)余躍慶對(duì)含間隙彈性四連